04103 Wasserstofferzeugung mit Elektrolyse und Verwertung im BHKW im 1-MW-Maßstab zur Energieversorgung eines Industriebetriebs

European Green Deal
Die EU hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2050 der erste klimaneutrale Kontinent zu werden. Zu diesem Zweck hat sie den „European Green Deal” verabschiedet, der die EU zum Weltmarktführer für grüne Technologien machen und gleichzeitig Wirtschaftswachstum gewährleisten soll. Unter Experten und Forschenden besteht Einigkeit, dass das Erreichen von Treibhausgasneutralität die Dekarbonisierung der gesamten Wirtschaft erfordert.

Der Ausbau der erneuerbaren Energien ist eine zentrale Säule der Energiewende. Bis 2025 sollen 40 bis 45 Prozent des in Deutschland verbrauchten Stroms aus erneuerbaren Energien stammen. Die wichtigsten erneuerbaren Energieträger sind Sonne und Wind. Um eine zuverlässige Stromversorgung auch in Zeiten der „Dunkelflaute” sicherzustellen, ist es notwendig, Erzeugungsüberschüsse von Wind und PV zu speichern und bedarfsgerecht zur Verfügung zu stellen.

BHKW derzeit günstiger als Brennstoffzellen
Mit diesem grünen Strom kann über die Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden. Wird dieser klimaneutrale Brennstoff im Verbrennungsmotor eines Blockheizkraftwerks genutzt, kann er wieder zurück in Strom und Wärme und/oder Kälte verwandelt werden. Neben Wasserstoff ist ein breites Spektrum an Gasarten einsetzbar wie z. B. variable Gasmischungen von Wasserstoff mit Methan oder Schwachgasen. Dies erhöht die Flexibilität, ist natürlich durch die Nutzung eines fossilen Energieträgers nicht ganz so klimafreundlich, wenn das Methan nicht aus Biogasanlagen stammt. Dabei sind BHKW zur Verbrennung von Wasserstoff derzeit robuster und kostengünstiger als Brennstoffzellen.

Da Erdgas-BHKW in Industriebetrieben schon vielfältig zur Energieversorgung eingesetzt werden, liegt es nahe, dies auch mit Wasserstoff zu tun.

Negative Regelenergie
Ein Vorteil der vorgestellten Energieversorgung ist, dass die Elektrolyse auch mit Strom gespeist werden kann, der als negative Regelenergie von Versorger/Stadtwerken eingekauft wird und somit eine Einnahmequelle darstellt.

Mit Regelenergie bzw. Regelleistung bezeichnet man die Energie, die ein Netzbetreiber benötigt, um unvorhergesehene Leistungsschwankungen in seinem Stromnetz auszugleichen. In diesem Fall benötigt der Netzbetreiber negative Regelenergie durch Stromabnehmer, die dem Netz kurzfristig Strom entziehen. Dies ist insbesondere in ländlichen Versorgungsgebieten mit hohem Aufkommen an PV- und Windenergieanlagen und gleichzeitig eher kleineren Energieabnehmern zu finden.

Wasserstoff als Speichermedium
So dient der Wasserstoff als Speichermedium und verhindert, dass PV- oder Windanlagen abgeregelt werden müssen, wenn für den Netzbetreiber keine andere Möglichkeit besteht, die Netzstabilität zu gewährleisten.

Nachfolgend sollen Vor- und Nachteile auf dem aktuellen Stand der Technik und rechtliche Rahmenbedingungen aufgezeigt werden.

Ein Standard-Verfahrensschema für eine Elektrolyse mit Peripherie bis zur Wasserstoffspeicherung wird weiter unten in Abbildung 4 beschrieben.

Sowohl Brennstoffzellensysteme als auch Wasserstoffmotoren können in Blockheizkraftwerken genutzt werden.

Ähnliche Eigenschaften
Der Wasserstoffmotor ist ein Gasmotor und basiert auf den gleichen Grundlagen wie konventionelle Verbrennungsmotoren. Auch wenn sich Wasserstoff als Kraftstoff deutlich von Benzin und Diesel unterscheidet, so sind Ladungswechsel, mechanische Kraftübertragung, Kühlung und Steuerung nahezu gleich.

Die großen Komponenten wie Zylinderkurbelgehäuse, Zylinderkopf und Ölwanne bleiben damit vom Grundmotor erhalten und nur Anbauteile wie Kraftstoffführung, Frischluft- und Abgasstrang mit Aufladung und Sensorik ändern sich [2].

Einsatzgebiete Verbrennungsmotor
Der Verbrennungsmotor erzeugt mehr Wärme als elektrische Energie und ist damit für den Einsatz bei hohem Heizwärme- und Warmwasserbedarf, wie in großen Wohnblocks, Schwimmbädern oder Bürogebäuden, vorteilhaft, insbesondere, wenn eine Kombination mit einer Absorptionskälteanlage im Rahmen einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) angestrebt wird.

Überschlägig lassen sich in einem BHKW mit gekoppelter Absorptionskälteanlage aus einer Brennstoffwärme von 1 MWh 360 kWh elektrische Energie sowie 520 kWh Wärme auf einem Temperaturniveau von maximal 90 °C gewinnen. Die Wärme kann über die Absorptionskälteanlage mit Lithiumbromid (LiBr) als Arbeitsmittel in 375 kWh Klimakälte auf einem Temperaturniveau von etwa 8 °C umgewandelt werden (s. Abb. 1).

Die Abgasemissionen liegen im stationären Betrieb mit wenigen Start-Stopp-Zyklen durch einen konstanten Magerbetrieb auf sehr niedrigem Niveau.

Technische Umsetzung
In der technischen Umsetzung hat sich der saugrohreinblasende Motor als einfach und leicht umsetzbar mit Emissions- und Wirkungsgradvorteilen im mageren bis sehr mageren Betrieb als einfach und leicht umsetzbar herausgestellt. Zudem ist bei bivalenten Motoren die Nutzung von anderen gasförmigen Kraftstoffen möglich. Nachteilig ist allerdings die geringe Leistungsdichte [2].

Soll ein Industriebetrieb effizient mit Energie versorgt werden, ist die möglichst genaue Kenntnis von Strom- und Wärmeganglinie des Betriebs notwendig. Die nachfolgende Abbildung 2 zeigt beispielhaft die Ganglinien des Strombedarfs einer typischen Betriebswoche.

Ähnliche Ganglinien können auch für den Wärme- und Kältebedarf eines Betriebs erstellt werden. Voraussetzung ist hier ein geeignetes Messsystem.